低透氣性厚煤層綜放開采瓦斯抽采關鍵技術

2016-12-15 05:51:02張西寨李萬仕趙國強

現代礦業 2016年11期

張西寨李萬仕趙國強

(陜西華彬煤業股份有限公司)

低透氣性厚煤層綜放開采瓦斯抽采關鍵技術

張西寨李萬仕趙國強

(陜西華彬煤業股份有限公司)

針對彬長礦區下溝煤礦侏羅紀4#煤層厚度大、透氣性差，本煤層預抽效果不佳，綜放開采瓦斯涌出量大等難題，綜合采取“本煤層扇形鉆孔+平行鉆孔”采前預抽和邊采邊抽，專用瓦斯抽放巷抽采采空區瓦斯等技術，上隅角瓦斯濃度穩定在0.35%左右，回風順槽瓦斯濃度穩定在0.3%左右，風排瓦斯量為3.5 m3/min，工作面瓦斯抽采取得了明顯效果，保證了工作面安全回采。

低透氣性專用瓦斯抽放巷瓦斯抽采厚煤層防滅火

針對礦井瓦斯治理難題，袁亮[1-3]院士研究了低透氣性高瓦斯煤層群無煤柱快速留巷Y型通風煤與瓦斯共采關鍵技術；郭海亮等[4]針對綜放工作面瓦斯問題,研究了頂板走向高抽巷和內錯瓦斯尾巷綜合治理技術；于寶海等[5]研究了本煤層瓦斯抽采鉆孔布置間距的優化方法；劉濤[6]等研究了高位鉆孔瓦斯抽采技術。彬長礦區下溝煤礦主采侏羅紀延安組4#煤煤層厚度較大，賦存穩定，受地質構造、煤層頂底板巖性、上覆基巖厚度、煤層厚度等因素綜合影響[7]，瓦斯賦存穩定，最大瓦斯含量4.68 m3/t，煤層透氣性差，瓦斯吸附特性強，鉆孔瓦斯衰減周期短，在綜放工作面瓦斯治理過程中，本煤層預抽率普遍不高，回采過程中大量吸附瓦斯，解吸后工作面絕對瓦斯涌出量大，采空區大量的瓦斯涌出，導致上隅角、工作面瓦斯超限，嚴重影響礦井安全生產。因此，降低綜放工作面采空區瓦斯濃度，成為保障工作面安全高效生產的關鍵。

1 工作面概況

1.1 工作面布置

彬長礦區下溝煤礦ZF301工作面位于403采區南部，工作面埋深約350 m，煤層傾角0°～18°，平均厚度15.94 m，工作面采用“U”型通風方式，巷道布置如圖1所示。4#煤層的鄰近層4上、4上-2、4上-1分別與4#煤相距28.12,31.2,35.44 m，煤層厚度分別為0.95,1.36,1.45 m，均處于采動影響范圍內。

1.2 煤層瓦斯參數

ZF301工作面煤層瓦斯含量3.54～4.55 m3/t，瓦斯壓力0.18～0.20 MPa，煤層透氣性系數0.77～0.98 m2/(MPa2·d)，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數0.037 9～0.047 8 d-1，瓦斯放散初速度為0.775 mmHg，吸附常數a=21.556 m3/t，b=0.779 MPa-1。主采4#煤層屬于可采煤層，但接近于難抽采煤層。

圖1 ZF301工作面巷道布置

1.3 瓦斯涌出量

ZF301工作面瓦斯涌出主要包括煤壁瓦斯涌出、采空區瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出[8](圖2)。工作面最大絕對瓦斯涌出量75.06 m3/min，平均涌出量55.05 m3/min，其中本煤層瓦斯涌出量平均17.99 m3/min，占33%，采空區瓦斯涌出量平均37.06 m3/min，占67%。采空區是工作面瓦斯的主要涌出來源。

圖2 工作面瓦斯涌出來源

2 瓦斯綜合抽采技術

結合ZF301工作面瓦斯涌出規律，采用“扇形鉆孔+平行鉆孔”強化本煤層抽采，專用瓦斯抽放巷抽采采空區瓦斯等綜合抽采技術。

2.1 “扇形鉆孔+平行鉆孔”本煤層瓦斯抽采

由于ZF301工作面傾角大，最大18°，在回風順槽施工本煤層鉆孔時容易被煤體中水分封堵，影響抽放效果，因此僅在運輸順槽布置本煤層鉆孔。

在運輸順槽每50 m施工一瓦斯抽放鉆場，鉆場參數為4 m×4 m×3 m，每個鉆場布置抽放鉆孔25個，鉆孔呈半扇形布置，鉆孔直徑113 mm，平均深度149 m，鉆孔參數見表1。

在兩鉆場之間布置平行孔，平行孔直徑為113 mm，前500 m平行孔間距為1 m，其他平行孔間距為2 m，深度均為150 m。鉆孔布置如圖3所示。

2.2 專用瓦斯抽放巷抽放采空區瓦斯

2.2.1 專用瓦斯抽放巷瓦斯抽放方法[9-10]

在工作面回風巷向煤層頂板開一條聯絡巷道，沿頂板開挖一條與回風巷平行的頂板巷道，抽放瓦斯時，將抽放管放入聯絡巷道內，封閉聯絡巷。使抽放管一端封在巷道內，另一端接入抽放系統，涌入頂板巷道內的瓦斯可由抽放系統抽出，從而改變了工作面上隅角瓦斯流向，起到降低上隅角和工作面回風流中的瓦斯濃度的作用。

2.2.2 專用瓦斯抽放巷布置

專用瓦斯抽放巷布置層位是影響抽放效果的最關鍵因素，綜放開采上覆巖層擾動范圍大，裂隙發育，會使煤層和巖層整體大范圍的壓力卸荷，卸壓瓦斯受采動影響大量解吸釋放，如果專用瓦斯抽放巷布置層位過高將難以及時抽放這部分卸壓瓦斯，造成上隅角瓦斯超限，同時導致巷道向采空區深部延伸，增加采空區漏風半徑，不利于采空區防滅火管理；若巷道布置層位過低又會造成巷道受采動影響嚴重，難以發揮最佳作用，甚至在工作面液壓支架前部發生冒頂，與工作面貫通失去作用。下溝煤礦4#煤層頂板上部14.5 m范圍內主要為泥巖，強度小，軟弱致密，易產生變形和破壞，且變形破壞后發育的橫向、縱向裂隙較小，不利于瓦斯運移，因此不宜將專用瓦斯抽放巷布置在頂板泥巖及其上部巖層中。綜合考慮，沿4#煤層頂板內錯回風順槽15 m布置專用瓦斯抽放巷，與工作面最小層間距保持在8 m以上(圖1)。

表1 本煤層瓦斯抽放鉆孔參數

圖3 本煤層瓦斯抽放鉆孔布置示意

專用瓦斯抽放巷寬3.8 m，高2.8 m，采用“錨桿+錨索+鋼筋托梁+混凝土全斷面噴漿”綜合支護形式，噴漿厚度不小于100 mm，底板加厚噴漿，噴注混凝土強度等級不低于C20。

2.2.3 專用瓦斯抽放巷抽采技術

專用瓦斯抽放巷施工后對巷口密閉，同時埋設φ800 mm抽放管路，利用地面低負壓瓦斯抽放系統進行抽放，采用2BEC100型水環式真空泵，額定抽氣量1 040 m3/min。專用瓦斯抽放巷采用塊石、水泥、黃土、沙子等不燃性材料密閉，密閉墻長度6 m，兩側是由塊石和水泥砂漿砌成的墻體，厚度為1 m，內部采用黃泥充填。

構筑密閉墻時安裝瓦斯抽放管、觀察管、灌漿管、放水管。抽放管安裝在密閉墻內側4 m處，距專用瓦斯抽放巷底板1.5 m；灌漿管內徑100 mm，距專用瓦斯抽放巷底板1.5 m；觀察管內徑50 mm，距巷道頂板0.2 m處；放水管內徑100 mm，布置在距巷道底板0.1 m處。

2.2.4 專用瓦斯抽放巷防滅火技術

巷道采用不燃性材料支護并全斷面噴漿封堵煤體，杜絕煤體低溫氧化，噴漿厚度100 mm，強度等級不低于C20；對專用瓦斯抽放巷內CO、CH4、溫度等氣體參數進行實時監測，每天取樣，利用色譜分析儀進行氣體成分分析，做好自然發火早期預報。一旦專用瓦斯抽放巷出現自然發火征兆則立即停止抽放，對專用瓦斯抽放巷采取注氮、黃泥灌漿、注三相泡沫、注高分子膠體等綜合防滅火措施。

3 瓦斯抽采效果分析

ZF301工作面生產時最大絕對瓦斯涌出量75.06 m3/min，平均涌出量55.05 m3/min，工作面平均抽采瓦斯量保持在51.69 m3/min，工作面瓦斯抽采率93.9%，平均風排瓦斯3.36 m3/min。專用瓦斯抽放巷瓦斯抽量顯著，抽放混合量平均為600 m3/min，抽放瓦斯濃度6%～8%，抽放純瓦斯量平均42.54 m3/min；本煤層鉆孔抽放濃度為8%～9%，混合量平均110 m3/min，抽放純瓦斯量平均9.15 m3/min。瓦斯涌出量、瓦斯抽采純量如圖4所示，瓦斯抽采率如圖5所示。專用瓦斯抽放巷預防自然發火效果明顯，自工作面回采以來，專用瓦斯抽放巷內未檢測到CO氣體，巷內氣體溫度23 ℃左右。